凍融循環(huán)下巖粉改良水工混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王界元

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在我國水利工程建設(shè)中，水利工程混凝土的性質(zhì)是影響工程建設(shè)質(zhì)量和長(zhǎng)期安全性的重要因素。為此，研究開發(fā)并改良得到工程性能更加優(yōu)良的水工混凝土對(duì)水利工程建設(shè)至關(guān)重要[1-3]。此外，在水利工程建設(shè)中，花崗巖作為一種常見的廢料，具有較高的回收利用價(jià)值。因此，如何回收利用花崗巖廢料并將其有效運(yùn)用起來十分重要[4-6]。

目前，我國學(xué)者針對(duì)水工混凝土的改良工作展開了大范圍的研究。劉麗梅等[7]基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同配比的粉煤灰/改性硅灰的改良混凝土配比展開了力學(xué)性能試驗(yàn)，并指出改性混凝土的強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增大而逐漸減小，且當(dāng)摻量比為粉煤灰24%/改性硅灰6%時(shí)，改良混凝土抗壓強(qiáng)度最大。劉拼等[8]深入分析了不同煅燒工藝摻MgO膨脹劑改良水工混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)摻加回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的MgO膨脹劑的水工混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。蔣理等[9]基于室內(nèi)試驗(yàn)指出新型凝灰?guī)r粉中可以有效替代粉煤灰，以制備改良高原水工混凝土。

上述研究針對(duì)改良水工混凝土展開了試驗(yàn)分析，但所獲得的成果比較有限。本次研究利用建筑廢料花崗巖制備巖粉并摻入混凝土中，制備巖粉改良水工混凝土并對(duì)其展開試驗(yàn)研究。同時(shí)進(jìn)一步考慮區(qū)域環(huán)境，分析凍融循環(huán)對(duì)改良混凝土質(zhì)量、力學(xué)性質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究成果可為我國水利工程建設(shè)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 工程背景

本次研究依托于新疆某水利工程引水隧洞建設(shè)項(xiàng)目。根據(jù)工程資料，該水利工程項(xiàng)目沿途規(guī)劃線路總長(zhǎng)超過283.0 km。本次研究涉及標(biāo)段的規(guī)劃長(zhǎng)度約為9.0 km，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果可知，引水隧洞的圍巖中存在較多的IV級(jí)圍巖和V級(jí)圍巖。其中，Ⅳ級(jí)圍巖段總長(zhǎng)約8.0 km，Ⅴ級(jí)圍巖段總長(zhǎng)接近1.1 km。本次研究依托于該水利工程建設(shè)項(xiàng)目，深入分析探討巖粉改良水工混凝土的工程力學(xué)性質(zhì)及其在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用前景。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

巖粉改良水工混凝土試樣制備使用基本材料見表1。本次研究混凝土試樣的制備參考相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，最終確定混凝土的配合比為水∶水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料=0.55∶1∶1.72∶2.58。巖粉改良水工混凝土中，花崗巖巖粉的摻量為5.0%。此外，為對(duì)比研究巖粉改良水工混凝土的性能，本次試驗(yàn)研究還設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)水工混凝土試驗(yàn)組，其基礎(chǔ)配比與巖粉改良水工混凝土相同，差別僅在于其中不摻花崗巖巖粉。

表1 混凝土試樣建筑材料物理參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

利用凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)(圖1)，對(duì)養(yǎng)護(hù)成型后的巖粉改良混凝土試樣進(jìn)行凍融循環(huán)處理。在開展凍融試驗(yàn)的過程中，設(shè)置試驗(yàn)設(shè)備的凍結(jié)溫度下限為-20℃，解凍溫度為室溫(約20℃)，每次凍結(jié)時(shí)間為10 min。凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置方法如下：0～50次以內(nèi)的凍融循環(huán)，每間隔10次設(shè)置一組試樣；50～300次的凍融循環(huán)，每間隔25次設(shè)置一組試樣。

圖1 凍融試驗(yàn)機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量損失率

圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)下，巖粉改良水工混凝土試樣的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基準(zhǔn)水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的質(zhì)量損失率也逐漸增大，二者的變化規(guī)律基本一致。此外，可以觀察到，當(dāng)凍融循環(huán)在100次以內(nèi)尤其是50次以內(nèi)時(shí)，兩種混凝土的質(zhì)量損失率的增長(zhǎng)速率較慢；而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過100次時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而快速增大，整體呈線性增大趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)有研究成果分析認(rèn)為，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過100次后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能受到破壞，因此內(nèi)部細(xì)小顆粒也隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而快速流失。

圖2 混凝土試樣的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

進(jìn)一步對(duì)比基準(zhǔn)水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的質(zhì)量損失率變化曲線之間的差異可以發(fā)現(xiàn)，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，巖粉改良水工混凝土的質(zhì)量損失率始終低于基準(zhǔn)水工混凝土，這表明巖粉改良水工混凝土的抗凍融循環(huán)破壞能力更強(qiáng)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，基準(zhǔn)水工混凝土的最大質(zhì)量損失率為0.62%，而巖粉改良水工混凝土的最大質(zhì)量損失率為0.51%，較基準(zhǔn)水工混凝土降低17.74%。

3.2 單軸抗壓強(qiáng)度

表2為不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，基準(zhǔn)水工混凝土和巖粉改良水工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系。由表2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種混凝土式樣的單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，基準(zhǔn)水工混凝土的抗壓強(qiáng)度為48.82 MPa，改良混凝土的抗壓強(qiáng)度為57.29 MPa；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土試樣的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為300次時(shí)，兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為31.36和45.96 MPa，分別下降35.77%和19.78%。

表2 兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

綜上所述，巖粉改良混凝土不僅能夠增強(qiáng)水工混凝土的抗壓能力，不同條件下巖粉混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，而且還能夠增強(qiáng)水工混凝土的抗凍融破壞能力，300次凍融循環(huán)后巖粉改良水工混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土。

3.3 微觀機(jī)理分析

利用SEM電鏡掃描技術(shù)，對(duì)經(jīng)歷300次凍融循環(huán)的基準(zhǔn)水工混凝土和巖粉改良水工混凝土展開微觀掃描，掃描結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)混凝土和巖粉改良混凝土內(nèi)部均產(chǎn)生了大量的裂隙以及孔洞，混凝土的性質(zhì)嚴(yán)重劣化，這也從內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)角度解釋了前文混凝土質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度劣化的現(xiàn)象。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)比兩種不同混凝土的微觀結(jié)構(gòu)掃描圖可以發(fā)現(xiàn)，300次凍融循環(huán)后，巖粉改良混凝土內(nèi)部裂隙的寬度、孔隙的直徑等都要小于基準(zhǔn)混凝土，這也解釋了凍融循環(huán)后巖粉改良混凝土抗壓強(qiáng)度更高、質(zhì)量損失率更低的現(xiàn)象。

圖3 300次凍融循環(huán)后兩種不同混凝土的微觀掃描圖

4 結(jié) 論

1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，基準(zhǔn)混凝土和巖粉改良混凝土的質(zhì)量損失率均逐漸增大，同時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸降低。微觀掃描結(jié)果顯示，凍融循環(huán)后兩種混凝土內(nèi)部均產(chǎn)生了大量的裂隙和孔洞。

2) 當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次時(shí)，兩種混凝土的最大質(zhì)量損失率分別為0.62%和0.51%，抗壓強(qiáng)度分別為31.36 和45.96 MPa，同時(shí)巖粉改良水工混凝土內(nèi)部裂隙的寬度、孔隙的直徑等都要小于基準(zhǔn)混凝土試樣。

3) 受限于試驗(yàn)手段條件，本次研究?jī)H分析了質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)3個(gè)方面的結(jié)果，而未能從物質(zhì)成分角度探討內(nèi)在機(jī)理，下一步可以考慮增加XRD分析試驗(yàn)。